[1]Предлагаемое техническое решение относится к выращиванию монокристаллов конденсацией испаряемого или сублимируемого материала, а также к монокристаллам на основе карбидов, в частности карбида кремния, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности.
[2]Известен сублимационный способ выращивания монокристаллов карбида кремния (US Patent Application Publication №2009/053125, published Feb. 26, 2009, «Stabilizing 4H Polytype During Sublimation Growth of SiC Single Crystals»). Известный способ предусматривает размещение источника карбида кремния (в частности, поликристаллического карбида кремния) в нижней части ростовой камеры и герметизацию ростовой камеры с помощью верхней крышки, на которой закреплен затравочный кристалл. Для выращивания кристалла карбида кремния температура затравочного кристалла поддерживается ниже, чем температура источника карбида кремния. Температура источника карбида кремния и затравочного кристалла контролируется оптическим пирометром через отверстия в теплоизоляции, диаметр которых значительно меньше диаметра затравочного кристалла, причем наличие таких пирометрических отверстий практически не влияет на температуру затравочного кристалла.
[3]Известный способ позволяет стабилизировать 4H-SiC политип за счет использования в процессе роста церия или его соединений в качестве добавок. Однако вследствие того, что требуемое распределение рабочих температур (градиент температур) внутри ростовой камеры, а также градиент температур внутри кристалла в процессе роста в известном способе обеспечиваются только нагревателем ростовой камеры, возможности регулирования скорости роста кристалла и формы кристалла ограничены.
[4]Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности основных признаков является способ выращивания монокристаллов карбида кремния (US Patent №6428621, published August 6, 2002, «Method for growing low defect density silicon carbide»), включающий параллельное размещение в ростовой камере, снабженной теплоизоляцией, одна напротив другой испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности затравочного кристалла, а также создание в зоне роста поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного кристалла к источнику карбида кремния, обеспечивающих испарение источника кремния и кристаллизацию карбида кремния из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного кристалла за счет воздействия одновременно нагрева ростовой камеры нагревателем и охлаждения затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры.
[5]Известный способ позволяет получить кристаллы карбида кремния с низкой плотностью дислокаций и других дефектов и предусматривает стадии аксиального и поперечного наращивания.
[6]Необходимое для проведения процесса роста распределение рабочих температур в ростовой камере в известном способе обеспечивается не только нагревом ростовой камеры нагревателем, а дополнительно - за счет охлаждения затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры, диаметр которого приблизительно равен диаметру затравочного кристалла. Такие условия создания температурного градиента внутри ростовой камеры позволяют расширить диапазон режимов роста и, как следствие, повысить скорость роста кристалла, а также оказывать влияние на его форму. После завершения процесса роста, в процессе охлаждения, теплоотвод через пирометрическое отверстие в тепловой изоляции ростовой камеры продолжает оказывать влияние на температурный градиент в выращенном монокристалле, что сопровождается возрастанием в нем напряжений на разрыв и на срез. Возрастание напряжения на разрыв приводит к образованию в монокристалле трещин, а возрастание напряжения на срез - к образованию дислокаций.
[7]Задача создания предлагаемого технического решения - повышение качества монокристаллов карбида кремния при одновременном повышении скорости роста кристаллов.
[8]Поставленная задача решается за счет того, что в способе выращивания монокристаллов карбида кремния, включающем параллельное размещение в ростовой камере, снабженной теплоизоляцией, одна напротив другой испаряющей поверхности источника карбида кремния и ростовой поверхности затравочного кристалла, а также создание в зоне роста поля рабочих температур с осевым градиентом в направлении от затравочного кристалла к источнику карбида кремния, обеспечивающих испарение источника кремния и кристаллизацию карбида кремния из паровой фазы на ростовой поверхности затравочного кристалла за счет воздействия одновременно нагрева ростовой камеры нагревателем и охлаждения затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры, перед снижением температуры монокристалла в пирометрическое отверстие устанавливают теплоизолирующую заглушку, а затем снижают температуру кристалла со скоростью 30÷100°С в час уменьшением мощности нагревателя ростовой камеры.
[9]В частных случаях реализации предлагаемого технического решения в пирометрическое отверстие устанавливают теплоизолирующую заглушку с диаметром центрального отверстия, не превышающим 2÷4 мм.
[10]Наличие в пирометрическом отверстии теплоизолирующей заглушки с центральным диаметром отверстия 2÷4 мм позволяет контролировать с помощью пирометра через указанное отверстие температуру в ростовой камере не только в процессе роста, но и в процессе остывания кристалла. Однако в ряде случаев отверстие для контроля температуры может быть предусмотрено в нижней части ростовой камеры, а также могут быть использованы другие методы определения температуры, в частности расчетные.
[11]Снижение напряжений на разрыв и срез в остывающем кристалле может быть достигнуто медленным снижением температуры в ростовой камере после завершения процесса роста. Однако снижение температуры роста со скоростью меньшей чем 30°С в час приводит к тому, что время проведения процесса значительно увеличивается и, как следствие, снижается рентабельность процесса в целом.
[12]С другой стороны увеличение скорости снижения температуры более чем 100°С в час приводит к резкому возрастанию напряжений в остывающем кристалле и, как следствие, к образованию в кристалле трещин и дислокаций, то есть снижению качества и увеличению процента брака.
[13]Однако, как показали подтвержденные экспериментально расчетные данные, в процессе остывания выращенного кристалла на распределение напряжений внутри кристалла и, как следствие, на качество кристалла, оказывает влияние не только градиент температур в ростовой камере, но и градиент температур по толщине самого кристалла на протяжении всего процесса остывания. При этом наибольшее влияние на качество кристалла оказывает градиент температур по его толщине в момент, когда средняя температура кристалла достигает критического значения 1100°С - температуры потери пластичности.
[14]В соответствии с предлагаемым способом снизить напряжения на разрыв и срез в уже выращенном кристалле в процессе его остывания удается за счет уменьшения градиента температур по толщине кристалла. Для этого в пирометрическое отверстие, обеспечивающее теплоотвод от затравочного кристалла в процессе роста, перед снижением температуры монокристалла устанавливают теплоизолирующую заглушку. Температуру кристалла снижают со скоростью 30÷100°С в час при закрытой теплоизолирующей заглушке, уменьшая мощность нагревателя ростовой камеры.
[15]Расчеты распределений температур и напряжений в кристалле в процессе снижения его температуры были поведены по известным зависимостям с помощью специально составленных компьютерных программ.
[16]Результаты расчетов поясняются иллюстрациями, где Фиг.1 - Распределение температуры в поперечном сечении выращенного кристалла карбида кремния при снижении его температуры со скоростью 50°С в час в момент, когда его средняя температура составляет ~1100°С (температура потери пластичности):
[17]а - пирометрическое отверстие открыто;
[18]б - в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка.
[19]Фиг.2 - Распределения напряжения на разрыв в поперечном сечении выращенного кристалла карбида кремния при снижении его температуры со скоростью 50°С в час в момент, когда его средняя температура составляет ~1100°С (момент потери пластичности):
[20]а - пирометрическое отверстие открыто;
[21]б - в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка.
[22]Фиг.3 - Распределение напряжения на срез в поперечном сечении выращенного кристалла карбида кремния при снижении его температуры со скоростью 50°С в час в момент, когда его средняя температура составляет ~1100°С (момент потери пластичности):
[23]а - пирометрическое отверстие открыто;
[24]б - в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка.
[25]На основании анализа данных, представленных на Фиг.1, можно сделать вывод, что в случае снижения температуры кристалла при открытом пирометрическом отверстии (а), перепад температуры по оси кристалла составляет 20°С, а в случае когда в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка (б) - 4°С, то есть меньше в 5 раз.
[26]За счет снижения перепада температуры по оси кристалла снижаются напряжения на разрыв и на срез.
[27]При открытом пирометрическом отверстии (Фиг.2а) наибольшее напряжение на разрыв, возникающее на краю кристалла, составляет 4,5·107 Па, а в случае когда в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка (Фиг.2б) - 5·106 Па, т.е. меньше почти на порядок. Поскольку напряжение на разрыв вызывает образование радиальных трещин в поперечном сечении кристалла в процессе снижения его температуры, снижение этого напряжения позволяет повысить качество кристаллов и снизить процент брака по данному параметру.
[28]При открытом пирометрическом отверстии (Фиг.3а) наибольшее напряжение на срез возникает в зоне вблизи края кристалла и составляет 7·106 Па. При условии, что в пирометрическое отверстие установлена теплоизолирующая заглушка, напряжение на срез в зоне вблизи края кристалла составляет 2·106 Па, т.е. меньше более чем в 3 раза. Поскольку напряжение на срез вызывает образование в поперечном сечении кристалла дислокаций, снижение этого напряжения также позволяет повысить качество кристаллов и снизить процент брака, определяемого количеством дислокаций.
[29]Предлагаемый способ был опробован при изготовлении монокристаллов карбида кремния путем сублимационного выращивания в ростовой камере, снабженной теплоизоляцией. В верхней части ростовой камеры устанавливали затравочный кристалл из карбида кремния диаметром 3 дюйма. В нижнюю часть ростовой камеры помещали порошок поликристаллического карбида кремния. Ростовую камеру откачивали до давления 1·10-5 Торр, а затем нагревали до температуры 1100°С, после чего напускали аргон до давления 450÷550 Торр. Затем ростовую камеру нагревали до рабочей температуры и откачивали аргон до рабочего давления 0,1÷100 Торр.
[30]В верхней части ростовой камеры было предусмотрено пирометрическое отверстие в слое теплоизоляции диаметром 30 мм. Отверстие и затравочный кристалл были расположены осесимметрично. В общем случае величина диаметра пирометрического отверстия зависит от конкретных условий проведения процесса и конструктивных особенностей оборудования.
[31]Распределение температур в ростовой камере в процессе роста кристалла обеспечивалось одновременно нагревом ростовой камеры нагревателем и охлаждением затравочного кристалла через пирометрическое отверстие в теплоизоляции ростовой камеры. Рабочая температура затравочного кристалла составляла 2100°С, а рабочая температура источника карбида кремния - 2400°С. При таких условиях осуществляли процесс роста кристалла. Скорость роста составляла 300÷500 мкм/час. Время роста составляло 30 часов. После того как был выращен кристалл толщиной 15 мм, перед тем как начать снижение его температуры, в пирометрическое отверстие устанавливали теплоизолирующую заглушку, а затем постепенно снижали температуру в ростовой камере со скоростью 50°С/час уменьшением мощности нагревателя ростовой камеры.
[32]После окончания процесса снижения температуры полученный кристалл извлекали из ростовой камеры.
[33]Оценка качества кристалла, определяемого количеством трещин, осуществлялась визуально сразу после извлечения кристалла из ростовой камеры и в дальнейшем при распиливании на части необходимого размера. За счет использования предлагаемого способа процент брака по данному параметру удалось снизить на 40%.
[34]Для оценки качества кристаллической решетки полученного кристалла, в частности наличия дислокаций, полученный кристалл нарезали на пластины, которые полировали со стороны (0001)Si, а затем травили в расплаве гидроокиси калия (KOH) при температуре 450°С в течение 15÷30 мин. За счет использования предлагаемого способа процент брака по данному параметру удалось снизить на 50%.
